專利名稱：一種磁場與超聲場耦合作用下熔體反應合成金屬基復合材料的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及新型復合材料合成制備技術領域，特別涉及到一種在電磁場和超聲場耦合作用下熔體原位 反應合成制備顆粒增強金屬基復合材料的新方法。
技術背景顆粒增強金屬基復合材料由于具有復合的結構特征而兼?zhèn)淞己玫牧W性能和理化性能，在先進的電工 電子器件、航空航天器、機械、橋梁隧道工程等領域具有廣闊的應用前景，已成為近年來金屬基復合材料 的研究熱點之一。原位反應合成法是目前制備顆粒增強金屬基復合材料的主要方法，該方法的原理是在金 屬基體熔液中加入能生成第二相的合金元素或化合物，在一定溫度下與金屬熔液發(fā)生原位反應生成顆粒相 而制得內生顆粒增強復合材料。該方法制備復合材料由于顆粒相原位生成，其與基體金屬結合界面干凈， 潤濕性好，結合強度高。但是，該技術還存在一系列問題，反應過程難控制，顆粒相易長大，甚至團聚， 分布也不均勻。利用外場作用可以改善原位合成反應的熱力學與動力學條件，起到促進原位反應進行的作用，同時， 外場作用可以控制顆粒相的過分長大或偏聚團簇現(xiàn)象，因此，在外場下原位合成金屬基復合材料越來越受 到研究者的重視。中國專利CN 1676641A (
公開日2005.10.5,發(fā)明名稱制備金屬基納米復合材料的 磁化學反應原位合成方法)提出在磁場(穩(wěn)恒磁場、交變磁場和脈沖磁場)下進行原位磁化學反應合成， 該專利介紹的方法在細化增強顆粒方面具有非常好的效果。中國專利CN 1958816 (
公開日2007.05.09， 發(fā)明名稱功率超聲法制備內生顆粒增強鋁基表面復合材料工藝)提出利用功率超聲制備內生顆粒增強 (Al3Ti相)鋁基表面復合材料，使增強相在基體的表層分布均勻，界面結合更好。但是，單一施加電磁場或超聲場對原位反應合成顆粒增強金屬基復合材料的作用仍不能令人滿意。施 加單一電磁場時，由于電磁場在金屬熔體內存在難以克服的集膚效應，磁場在金屬內的作用強度按指數(shù)規(guī) 律衰減，因此電磁場對熔體的有效作用深度有限，特別對于大體積的熔池或采用較高頻率的電磁場時，熔 體內電磁場作用的差異非常明顯，即電磁場在熔體內作用出現(xiàn)嚴重的不均勻性，中心區(qū)域電磁場作用微弱 而邊緣區(qū)域電磁場作用很強。單一施加超聲場時，由于超聲波是一種機械疏密震蕩波，屬于縱波，其作用 有很顯著的方向性，同時超聲波在金屬熔體中的衰減亦十分嚴重，因此，超聲效應主要集中在變幅桿下的 柱狀區(qū)域范圍內，即超聲場作用集中在熔體的中心區(qū)域，熔體的邊緣區(qū)域則很弱。為彌補單一施加電磁場或超聲場的不足，本發(fā)明提出采用電磁場與超聲場耦合作用下原位合成顆粒增 強金屬基復合材料的新方法。
本發(fā)明的目的是提供一種在電磁場與超聲場耦合作用下熔體反應合成制備內生顆粒增強金屬基復合 材料的新方法，制備高性能原位顆粒增強金屬基復合材料。本發(fā)明的基本原理是在原位顆粒增強金屬基復合材料的反應合成過程同時施加磁場和高能超聲場， 利用磁場對熔體產生電磁力、磁化及渦流感應熱等磁化學原理和高能超聲場在熔體內產生的聲空化和聲流 沖擊等聲化學原理對復合材料合成制備過程進行耦合作用，達到控制顆粒相的分布、抑制顆粒長大和團簇 并改變原位合成反應的熱力學和動力學條件的目的，實現(xiàn)磁場磁化學和高能超聲場的聲化學耦合作用下合 成顆粒增強金屬基復合材料。該新方法的原理結合圖1實現(xiàn)本方案的裝置示意圖說明如下在保溫耐火材料制成的熔池(或坩堝)1內合成制備復合材料熔體2，在熔池(或坩堝)上部插入高 能超聲變幅桿3,對熔體施加超聲處理，在熔池(或坩堝)外側施加磁場4。根據(jù)復合材料熔體制備方法 以及要求效果的不同，可以選擇不同的磁場施加形式。因此外加磁場4可以是強脈沖磁場、高頻振蕩磁場 及低頻旋轉磁場三種磁場。磁場與超聲場耦合作用的原理是-(1) 外加磁場4選用強脈沖磁場，即強脈沖磁場與超聲場耦合作用，強脈沖磁場在熔體內的脈沖電 磁力、脈沖磁化力和感應電流的焦耳熱，均對原位化學反應有加速作用，并能起到使顆粒相彌散分布的目 的，但脈沖磁場在金屬熔體內有一定衰減，熔體邊緣區(qū)域的反應受磁場的影響強而中心部位較弱，因此要 選擇與高能超聲耦合作用，功率超聲通過在熔體內的空化效應和聲流沖擊，空化效應使顆粒團簇得到控制， 聲流沖擊起到微區(qū)攪拌作用，由于超聲場作用區(qū)域是中心區(qū)域強而邊緣弱，兩者正好互相彌補不足，耦合 作用達到加速原位反應，使顆粒相快速生成并呈彌散分布的目的。(2) 外加磁場4也可選用高頻振蕩磁場，高頻振蕩磁場由于在熔體內存在集膚效應，所以集中作用 于烙池的邊緣，對復合材料熔體中的顆粒形成振蕩的電磁力，使顆粒團簇得到控制，超聲場仍主要作用于 熔池中部區(qū)域。(3) 當對復合材料的顆粒大小及分布要求稍低時，磁場4也可以選擇采用低頻攪拌磁場與功率超聲 耦合作用。特別是當處理的金屬量大到以噸位計量時，由于目前高頻振蕩磁場和強脈沖磁場設備的限制， 采用較強的低頻攪拌磁場和高能超聲耦合作用，也能達到較理想的效果。其原理是高能超聲通過在熔體 內的空化效應和聲流沖擊，空化效應使顆粒團簇得到控制，聲流沖擊起到微區(qū)攪拌作用，外加的低頻攪拌 磁場4對使整個熔池電磁攪拌，超聲處理效果更加明顯，且超聲處理的局部效應或集中效應得以控制?；谏鲜鲈恚瑢崿F(xiàn)本發(fā)明的技術方案是一種磁場與超聲場耦合作用下熔體反應合成金屬基復合材料的方法，是金屬基熔體精煉后調整到反 應起始溫度，加入能與熔體原位反應生成顆粒相的反應物粉劑進行合成反應，在反應合成過程中同時施加4
磁場和高能超聲場；待反應結束，靜置到澆注溫度后進行澆注。本發(fā)明方法中，所說的外加磁場可以是強脈沖磁場、高頻振蕩磁場或低頻交變磁場。針對采用的外加 磁場的不同形式，實現(xiàn)本發(fā)明的具體的技術方案也有三種(1) 強脈沖磁場與高能超聲耦合作用強脈沖磁場的電磁參數(shù)范圍為脈沖電流頻率0.1Hz 10Hz，脈沖電流密度為lkA/m2 10kA/m2,充 電電壓lkV 20kV，中心磁場強度0.5 20T。根據(jù)坩堝尺寸及熔體種類選擇電磁參數(shù)，使熔體內脈沖磁場 強度在1T以上，效果明顯。超聲場的頻率10kHz 30kHz,超聲強度0.5kW/m2 60 kW/m2。具體步驟為金屬基熔體精煉后調整到復合溫度，加入能與熔體原位反應生成顆粒相的試劑，開啟磁 場穩(wěn)定后，插入超聲變幅桿到液面下5 6mm,接通超聲裝置，超聲處理時間60s 600s,時間到后，停止 超聲設備，關掉磁場，靜置到澆注溫度后進行澆注。該方法特別適用于制備金屬基復合材料量少但要求性能極高的復合材料。(2) 高頻振蕩磁場與高能超聲耦合作用高頻振蕩磁場的電磁參數(shù)范圍為高頻基準波頻率10 kHz 30kHz，調幅振蕩波頻率為lHz 30Hz， 功率范圍0 100kW，根據(jù)熔體量、種類、熔池和攪拌強度調節(jié)電磁參數(shù)，對鋁、銅基熔體，可采用較高 基準波頻率，對鐵基、鎳基、鋅基熔體，釆用較低基準波頻率，振蕩波頻率根據(jù)熔體攪動情況確定，與反 應器的結構和金屬熔體的種類有關，以熔體不出現(xiàn)強烈紊流為宜。超聲場的頻率10kHz 30kHz，超聲強度0.5kW/m2 60 kW/m2。具體步驟為金屬熔體精煉后調整到反應起始溫度，加入能與金屬熔體原位反應生成顆粒相的反應物 粉劑，開啟磁場穩(wěn)定后，插入超聲變幅桿到液面下5 6mm,接通超聲裝置，超聲處理時間60s 600s,時 間到后，停止超聲設備，關掉磁場，靜置到澆注溫度后進行澆注。(3) 低頻交變磁場與高能超聲耦合作用低頻交變磁場的電磁參數(shù)范圍，頻率0.1Hz 60Hz，工作電流1A 10000A，根據(jù)熔體量、種類和 攪拌強度調節(jié)電磁參數(shù)，對鋁、銅基熔體，可采用較高頻率，對鐵基、鎳基、鋅基熔體，采用較低頻率。 超聲場的頻率10kHz 30kHz,超聲強度0.5kW/m2 60 kW/m2。具體步驟為金屬基熔體精煉后調整到反應起始溫度，加入能與金屬熔體原位反應生成顆粒相的反應 物粉劑，開啟磁場攪拌穩(wěn)定后，插入超聲變幅桿到液面下5 6mm,接通超聲裝置，超聲處理時間60s 600s，時間到后，停止超聲設備，關掉磁場，靜置到澆注溫度后進行澆注。補充說明低頻交變磁場也可采用上述參數(shù)范圍內的旋轉攪拌磁場或行波攪拌磁場，旋轉攪拌磁場施 加在熔池的側面，或行波磁場施加在熔池的底部，均屬本發(fā)明提出的方案。
該方法即可用于小批量生產，也可用于大規(guī)模工業(yè)應用。 與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明具有的優(yōu)點是(1) 復合材料在磁場和超聲場耦合作用下合成，磁場和超聲場耦合作用使顆粒粒度細化，分散均勻;(2) 超聲波振動攪拌及電磁攪拌作用改善了復合的動力學條件，且顆粒相與基體金屬界面復合更好;(3) 磁化學與聲化學共同作用，改善原位反應的熱力學條件，即加速原位反應速度又控制顆粒相的長大。


圖1是本發(fā)明方法中使用的設備示意中1保溫耐火材料熔池或坩堝2復合材料熔體3超聲變幅桿4磁場 圖2是實施例設備示意中1保溫耐火材料熔池或坩堝2復合材料熔體3超聲變幅桿4磁場5噴槍圖3是實施例1強脈沖磁場和超聲場耦合作用下制備的(Al3Zr<s)+ ZrB2(s))顆粒增強Al基復合材料組織照片圖4是實施例2高頻振蕩磁場和超聲場耦合作用下制備的(Al3Zr(s)+ ZrB2(s))顆粒增強Al基復合材料組 織照片圖5是實施例3低頻攪拌磁場和超聲場耦合作用下制備的(AI3Zr(s)+ A1203(S))顆粒增強Al基復合材料組 織照片具體實施方式
實施例l:強脈沖磁場和超聲場耦合作用下制備(Al3Zr(s)+ZrB2(s))顆粒增強Al基復合材料 原材料基體金屬純A1;反應鹽K2ZrF6+KBF4粉劑，精煉脫氣劑及扒渣劑； 制備過程分兩步(一) 金屬熔煉及粉體制備50Kg純Al在60kW電阻爐中熔化升溫到卯(TC,脫氣、扒渣。所用試劑均在250。C 30(TC下充分烘 干，其中K2ZrF6+KBF4，研磨成細粉(粒度小于200目)，稱量后用鋁箔包覆待用，K2ZrF6+KBF4粉劑加入 的重量為金屬重量的20%。(二) 原位反應合成制備復合材料熔體-精煉好且符合反應起始溫度要求(900°C)的金屬液，用鐘罩將K2ZrF6+KBF4壓入到坩堝內的鋁液中， 將坩堝放入強脈沖磁場中，開啟強脈沖磁場，脈沖磁場的充電電壓lkV,脈沖頻率lHz。然后將超聲變幅 桿插入鋁液，深度3mm左右，開啟超聲裝置，超聲場頻率20kHz,超聲強度2kW/m2，超聲處理時間5min。 超聲結束后，高頻磁場繼續(xù)施加3min，然后關閉磁場電源，熔體靜置，待溫度降到720'C澆入直徑200mm
的水冷銅模，制得復合材料鑄錠。復合材料熔體具有很好的流動性，制得的復合材料鑄坯外表面光潔，內部組織致密，無疏松、縮孔等 凝固組織缺陷，顆粒尺寸0.2~0.6 " m (圖3 )。實施例2:高頻振蕩磁場和超聲場耦合作用下制備(Al3Zr(s>+ZrB2(s))顆粒增強A1基復合材料原材料基體金屬純A1;反應鹽K2ZrF6+KBF4粉劑，精煉脫氣劑及扒渣劑；制備過程分兩步(一) 金屬熔煉及粉體制備50Kg純Al在60kW工頻熔鋁爐中熔化升溫到900°C ，脫氣、扒渣。所用試劑均在250。C 300。C下充 分烘干，其中，K2ZrF6+KBF4粉劑研磨成細粉(粒度小于200目)，稱量后裝入噴吹罐，K2ZrF6+KBF4粉劑 加入的重量為金屬重量的20%。(二) 原位反應合成制備復合材料熔體裝置如圖2，精煉好且符合反應起始溫度要求(900°C)的金屬液從金屬精煉保溫爐傾入保溫的復合材 料熔池l，向熔池l內用用Ar氣噴槍5吹入K2ZrF6+KBF4粉末，噴粉結束后，開啟高頻振蕩磁場4，高頻 基準波頻率20kHz，最大電流80A,振蕩波頻率25Hz，振蕩波波形為正弦波。然后將超聲變幅桿3插入熔 池，深度5mm左右，開啟超聲裝置，超聲場頻率20kHz，超聲強度10kW/m2，超聲處理時間5min。超聲 結束后，高頻磁場繼續(xù)施加3min，然后關閉磁場電源，熔體靜置，待溫度降到730°C，除渣，720'C時通 過半連鑄成直徑200mm的圓坯。復合材料熔體具有很好的流動性，制得的復合材料鑄坯外表面光潔，內部組織致密，無疏松、縮孔等 凝固組織缺陷，顆粒尺寸l 5wm (圖4)。實施例3:低頻攪拌磁場和超聲場耦合作用下制備(Al3Zr(s)+Al203(s))顆粒增強A1基復合材料原材料基體金屬純A1;固體粉末工業(yè)碳酸鋯(Zr(C03)2)粉劑，精煉脫氣劑及扒渣劑； 制備過程分兩步(一) 金屬熔煉及粉體制備50Kg純Al在60kW工頻熔鋁爐中熔化升溫到900。C ，脫氣、扒渣。所用試劑均在250'C 30(TC下充 分烘干，其中Zr(C03)2研磨成細粉(粒度小于200目)，稱量后裝入噴吹罐，Zr(C03)2加入的重量為金屬 重量的20%。(二) 原位反應合成制備復合材料熔體精煉好且符合反應起始溫度要求(900°C)的金屬液從金屬精煉保溫爐傾入保溫的復合材料熔池3，向 熔池內用用Ar氣噴槍吹入Zr(C03)2粉末，同時開啟低頻攪拌磁場，磁場的電磁參數(shù)為10Hz，電流280A， 噴粉結束后，將超聲變幅桿插入熔池，深度5mm左右，開啟超聲裝置，超聲場頻率20kHz,超聲強度10kW/m2，超聲處理時間5min。超聲結束后，繼續(xù)攪拌3min，然后靜置，待溫度降到730°C，除渣，720 'C通過半連鑄制得直徑'200mm的復合材料圓坯。復合材料熔體具有很好的流動性，制得的復合材料鑄坯外表面光潔，內部組織致密，無疏松、縮孔等 凝固組織缺陷，顆粒尺寸l 5wm (圖5)。
權利要求
1、一種磁場與超聲場耦合作用下制備金屬基原位復合材料的方法，包括將金屬基熔體精煉后調整到反應起始溫度，加入能與熔體原位反應生成顆粒相的反應物進行合成反應，待反應結束，靜置到澆注溫度后進行澆注；其特征在于在反應合成過程中同時施加磁場和高能超聲場，實現(xiàn)磁場磁和高能超聲場耦合作用下合成內生顆粒增強金屬基復合材料。
2、 根據(jù)權利要求1所說的磁場與超聲場耦合作用下制備金屬基復合材料的方法，其特征在于，在反 應合成過程中同時施加磁場和高能超聲場的方式為在保溫耐火材料制成的熔池(1)內合成制備復合材 料熔體(2)，在熔池(1)上部插入高能超聲變幅桿(3),對熔體(2)施加超聲處理，在熔池(1)外側 施加磁場(4)。
3、 根據(jù)權利要求2所說的磁場與超聲場耦合作用下制備金屬基復合材料的方法，其特征在于，操作 過程具體是金屬基熔體精煉后調整到反應起始溫度，加入能與熔體原位反應生成顆粒相的反應物粉劑， 開啟磁場穩(wěn)定后，插入超聲變幅桿到液面下5 6mtn，接通超聲裝置，超聲處理時間60s 600s,超聲處理 時間到后，停止超聲設備，然后關掉磁場，靜置熔體到澆注溫度后進行澆注。
4、 根據(jù)權利要求1所說的磁場與超聲場耦合作用下制備金屬基復合材料的方法，其特征在于，其中 所說的磁場是強脈沖磁場、高頻振蕩磁場或低頻交變磁場。
5、 根據(jù)權利要求4所說的磁場與超聲場耦合作用下制備金屬基復合材料的方法，其特征在于，是在 強脈沖磁場與高能超聲場耦合作用下制備復合材料，強脈沖磁場的電磁參數(shù)范圍為脈沖電流頻率 0.1Hz 10Hz，脈沖電流密度為lkA/m2 10kA/m2，充電電壓lkV 20 kV,線圈中心磁場強度0.5 20 T; 超聲場的頻率10kHz 30kHz，超聲強度0.5kW/m2 60 kW/m2。
6、 根據(jù)權利要求4所說的磁場與超聲場耦合作用下制備金屬基復合材料的方法，其特征在于，是在 高頻振蕩磁場與高能超聲場耦合作用下制備復合材料，高頻振蕩磁場的電磁參數(shù)范圍為高頻基準波頻率 10kHz 30kHz，調幅振蕩波頻率為1Hz 30Hz，功率范圍0 100kW，超聲場的頻率10kHz 30kHz，超 聲強度0.5kW/m2 60 kW/m2。
7、 根據(jù)權利要求4所說的磁場與超聲場耦合作用下制備金屬基復合材料的方法，其特征在于，是在 低頻交變磁場與高能超聲場耦合作用下制備復合材料；低頻交變磁場的電磁參數(shù)范圍頻率0.1Hz 60Hz， 工作電流1A 10000A，超聲場的頻率10kHz 30kHz,超聲強度0.5kW/m2 60 kW/m2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在磁場與超聲波耦合作用下制備內生顆粒增強金屬基復合材料的方法。該方法包括將金屬基熔體精煉后調整到反應起始溫度，加入能與熔體原位反應生成顆粒相的反應物進行合成反應，反應結束后靜置、降至澆注溫度進行澆注；其特征是在反應合成過程中同時施加磁場和高能超聲場，實現(xiàn)磁場和高能超聲場耦合作用下合成內生顆粒增強金屬基復合材料。所說的磁場可以是強脈沖磁場、高頻振蕩磁場或低頻交變磁場。本發(fā)明方法中，磁場和超聲場耦合作用使顆粒粒度細化，分散均勻；超聲波振動攪拌及電磁攪拌作用改善了復合的動力學條件，且顆粒相與基體金屬界面復合更好；磁化學與聲化學共同作用，改善原位反應的熱力學條件，既加速原位反應速度又控制顆粒相的長大。
文檔編號B22D1/00GK101391290SQ200810234978
公開日2009年3月25日 申請日期2008年11月5日 優(yōu)先權日2008年11月5日
發(fā)明者張松利, 李桂榮, 王宏明, 趙玉濤, 剛 陳 申請人:江蘇大學